一种搅拌研磨反应器及利用该反应器制备异氰酸酯的方法

文档序号:5054506阅读:1241来源:国知局
专利名称:一种搅拌研磨反应器及利用该反应器制备异氰酸酯的方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌研磨反应器及其应用,更具体地说,涉及一种能够实现流体间(气体-气体或液体-液体)快速混合、快速反应的集搅拌、研磨于一体的反应器以及利用该反应器制备异氰酸酯的方法。

背景技术
在化工生产过程中,在反应物料之间发生复杂的快速平行竞争反应或者快速串联竞争反应时,反应产物或中间产物与原料中的某组分可能会进一步发生反应;这些反应进行的程度与各种物料(例如原料、中间产物等)的浓度分布状况有直接的关系。所以,原料之间的初始混合效果会极大地影响最终的产物分布、目的产品的收率和质量,并同时影响全生产过程的设计和能耗等指标。例如,采用光气化方法生产异氰酸酯(TDI或者MDI)时,该反应过程主要包括冷光气化阶段和热光气化阶段。在冷光气化阶段,将液态的多胺和液态的光气分别溶解在惰性溶剂中,例如二氯苯、氯苯、甲苯、氯化萘、1,2,4-三氯苯等,并使多胺与光气在0~100℃的低温下进行反应。在此阶段,主要生成酰胺和多胺的盐酸盐,以及少量的脲类化合物。主要反应如下 RNH2+COCl2RNHCOC l+HCl (1) RNH2+HCl→RNH2·HCl (2) RNH2+RNHCOCl→RNCO+RNH2·HCl(3) RNH2+RNCO→RNHCONHR (4) 在冷反应阶段,多胺首先与光气发生反应(1),生成氨基甲酰氯,这是一个快速放热反应;同时,反应(1)产生的HCl与多胺发生快速反应(2),生成多胺盐酸盐。氨基甲酰氯和多胺盐酸盐都是不溶于反应体系的固体物质。当光气与多胺局部混合效果较差时,溶液中局部过量的多胺将与氨基甲酰氯或者异氰酸酯发生反应(3)和(4),生成副产物脲,脲为不溶解于反应体系的粘稠状物质。该过程为复杂的多步串联竞争反应。主反应为快速反应,其反应的时间尺度在毫秒级或者以下;生成的产物进一步与原料发生快速反应,生成不溶解于反应体系的副产物。因此,两种原料的初始混合效果将直接影响主产物的收率和选择性。成功地设计液体快速混合反应器,提高两股原料物流的初始混合效果,对于增加主产物的收率和选择性,减小副产物的生成具有重要的意义。另外,由于采用光气化方法生产异氰酸酯生成大量的固体物质,很容易造成该固体物质对多胺的包裹,从而导致主反应减少、副反应增加。因此,减少固体颗粒对多胺的包裹对于提高反应收率也有很重要的意义。
当前的国内外专利主要是错流混合,其中孔射流是一种主要的方法,通过很多细小流股喷射进入主体流股,在射入后每一小股流体迅速被主体流股包围,通过流体的湍流状态从而实现两流股之间的混合,例如美国专利US3,226,410所述的一种孔射流式喷射器,一股流体在另外一股流体中错流射流时,由于流体之间的相互作用,射流流股进入主流体中时只能达到一定的射流深度,这样当主体流的管路直径较小时,可以实现两股流体之间的快速混合,但是当生产能力较大时,主体流的管路直径也相应较大,从射流孔喷射进入的流股不能在较短的时间内充分分散到主体流中,势必导致主体流圆管中心在较长的一段距离内未发生混合,混合时间相应延长,当要求达到的混合时间尺度一定时,反应器的生产能力也存在最大极限,因此,依靠单纯的静态混合,不能够实现大流量物料间的快速瞬间混合,并且为了得到满意的产率需将反应物的浓度大大降低,导致需要较大的能耗来回收溶剂。因此,需要开发一种更为有效的混合设备,以实现大规模生产能力下反应原料之间的快速混合和快速反应。


发明内容
本发明的目的在于开发一种高效反应器以及利用该反应器制备异氰酸酯的方法,实现较大生产能力下反应原料之间的瞬间快速混合,以强化主反应、抑制副反应,同时对产生的固体产物进一步研磨细化,减少固体产物颗粒对液体原料的包裹,提高目标产物的收率和质量。
在本发明的说明书中,如果没有特别的规定,“轴向”和“径向”分别指反应器的轴向和径向。在本发明中提及的“光气”与“光气溶液”可以互换使用,“胺”、“胺的有机溶液”与“胺溶液”可以互换使用。本发明以竖式安装的反应器来举例说明各个构件的位置关系,但不排除其他安装方式例如稍微倾斜安装的方式。
本发明所提供的反应器是基于以下的设计构思一股物流(气体或液体)通过轴向搅拌桨产生沿着搅拌轴的轴向推力,对处于该搅拌桨下方的高湍流区的另一股物流进行轴向剪切,然后再通过径向搅拌桨使这两股物流混合后进一步强烈分散,这样两股物料的混合时间非常短,实现了快速混合、快速反应;对于反应过程中产生的固体物质,通过设计研磨设施,使固体产物进一步粉碎细化,避免原料被固体物质包裹,提高目标产物的收率。
本发明提供一种搅拌研磨反应器,其包括反应器壳体、第一反应物进料口、第一反应物分布盘、第二反应物总进料口、环状的第二反应物分布盘、搅拌轴、轴向搅拌桨、径向搅拌桨、动研磨片、静研磨片和至少一个第二反应物分进料口;其中,反应器壳体与搅拌轴同轴设置,并在反应器壳体内部位于第一反应物分布盘下方形成反应通道;第一反应物进料口的设置使得第一反应物经设置在该反应器上部的第一反应物分布盘进入反应通道;轴向搅拌桨和径向搅拌桨自上而下设置在搅拌轴上;动研磨片和静研磨片相互间隔地设置在径向搅拌桨的下方,动研磨片固定在搅拌轴上,静研磨片固定在反应器壳体的内壁上,动研磨片和静研磨片上还设有通道孔;第二反应物分进料口设置在轴向搅拌桨和径向搅拌桨之间,以使得第二反应物经第二反应物总进料口、环状的第二反应物分布盘和第二反应物分进料口输送至反应通道。
根据本发明提供的反应器,其中所述第一反应物分布盘为空腔结构,为第一反应物进入所述反应通道前提供流通场所。
根据本发明提供的反应器,其中,轴向搅拌桨使第一反应物的物流产生轴向推力,对一股或多股第二反应物的物流实现轴向剪切,增强初始混合效果。因此,可以在搅拌轴上平行设置1-6个、优选1-3个轴向搅拌桨,并且按照物料的流动方向对所述轴向搅拌桨进行级数排列;每个轴向搅拌桨具有2-20片、优选3-15、更优选3-8片桨叶;所述轴向搅拌桨桨叶的外缘直径为40-1000mm,优选为60-800mm。
根据本发明提供的反应器,所述第二反应物分布盘为空腔结构,为第二反应物由第二反应物分进料口进入反应通道前提供流通场所;所述第二反应物分进料口设置在反应器壳体上且位于反应通道内,所述分进料口的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形等,优选为圆形、矩形、三角形;所述分进料口的数量为3-200个,优选为3-100个,更优选为5-80个;所述分进料口在反应器壳体上可以是均匀分布,也可以是非均匀分布。但是,优选为均匀分布。所述分进料口可以位于相同或不同的水平面上。当第二反应物分进料口的截面为圆形时,其直径为2-30mm,优选为2-20mm,更优选为2-15mm。为了便于说明,当选用具有其他截面形状的分进料口时,其截面积按照圆形进料口的当量截面积计算。每个分进料口的上边缘与最后一级轴向搅拌桨桨叶的最下缘的轴向距离为1-50mm,优选为2-30mm;所述分进料口离搅拌轴的最近端至轴向搅拌桨桨叶最外缘的径向距离为1-100mm,优选为2-40mm。
根据本发明提供的反应器,其中,所述第二反应物分进料口水平(即垂直于搅拌轴)设置于反应器壳体上且位于反应通道内;优选地,所述第二反应物分进料口向下倾斜设置于反应器壳体上,每个分进料口的中心轴与搅拌轴的夹角为20-90°,优选为60-90°。
根据本发明提供的反应器,可以在搅拌轴上平行设置1-6个、优选1-3个径向搅拌桨,并且按照物料的流动方向对所述径向搅拌桨进行级数排列;每个径向搅拌桨具有2-20片、优选3-15片、更优选3-8片桨叶;所述径向搅拌桨桨叶的外缘直径为40-1000mm,优选为60-700mm;第一级径向搅拌桨桨叶的最上缘与第二反应物分进料口的下边缘的轴向距离(即垂直距离)为1-200mm,优选为2-100mm。在本发明中,通过设置第二反应物分进料口使第二反应物在径向搅拌桨下方的高湍流区进料,并且径向搅拌桨产生的径向剪切力和轴向搅拌桨产生的轴向剪切力一起作用于反应物流,从而实现快速、充分的混合。
根据本发明提供的反应器,可以在径向搅拌桨的下方相互间隔地设置一个或多个(或从上往下一级或多级)的动研磨片和一个或多个(或从上往下一级或多级)的静研磨片,并且按照物料的流动方向分别对动研磨片和静研磨片进行级数排列;其中第一级静研磨片设置在第一级动研磨片的下方,第一级动研磨片的上表面与最后一级径向搅拌桨桨叶的最下缘的轴向距离为1-200mm,优选为10-100mm。
根据本发明提供的反应器,所述动研磨片还具有中心孔,使搅拌轴穿过该中心孔,并将动研磨片固定在搅拌轴上且位于反应通道内,从上往下设置动研磨片的级数为2-6级,优选为2-4级,对所述动研磨片的形状没有特别限定,但是优选为外缘直径为40-1200mm、优选60-800mm的圆盘,并且和搅拌轴一起旋转;每个动研磨片上设有10-1000个、优选15-100个通道孔,所述通道孔的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形等,优选为圆形、矩形、三角形;尽管这些通道孔的总流通面积取决于反应通道和动研磨片的尺寸,但是该流通面积优选为8-600mm2,更优选为10-400mm2;所述通道孔在动研磨片上可以是均匀分布,例如在圆周方向上等距离分布,也可以是非均匀分布,但是,优选为均匀分布。所述通道孔相对于反应通道的开孔率为10-80%,优选为20-70%。所述动研磨片的最外缘至反应通道内壁的径向距离为1-20mm,优选1-10mm。
根据本发明提供的反应器,所述静研磨片还具有中心孔,使搅拌轴穿过该中心孔,并将静研磨片固定在反应器壳体的内壁上且位于反应通道内,从上往下设置静研磨片的级数为1-6级,优选为2-4级;每级静研磨片与相邻级的动研磨片之间的轴向距离为1-50mm,优选为1-30mm,更优选为1-25mm,最优选为2-15mm;对所述静研磨片的形状没有特别限定,但是优选为外缘直径为40-1200mm、优选60-800mm的圆盘;每个静研磨片上设有10-1000个、优选15-100个通道孔,所述通道孔的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形等,优选为圆形、矩形、三角形;尽管这些通道孔的总流通面积取决于反应通道和静研磨片的尺寸,但是该流通面积优选为8-600mm2,更优选为10-400mm2;所述通道孔在静研磨片上可以是均匀分布的,例如在圆环的径向或圆周方向上等距离分布,也可以是非均匀分布的。但是,优选为均匀分布的。所述通道孔相对于反应通道的开孔率为10-80%,优选为20-70%。所述静研磨片的最内缘至搅拌轴最外缘的径向距离为1-10mm,优选1-5mm。
根据本发明提供的反应器,在最后一级径向搅拌桨下方相互间隔地设置多层动研磨片和静研磨片,通过动静结合的孔道式快速研磨粉碎细化反应生成的固体产物颗粒,避免原料液体被固体产物颗粒包裹,减少副反应,提高目标产物收率。
根据本发明提供的反应器,反应通道的截面形状为圆形、椭圆形、多边形或矩形等,优选圆形、多边形;当反应通道的截面为圆形时,其通道直径为30-1400mm,优选为60-800mm,当选用不同形状的反应通道时,其通道截面积按照圆形通道的当量截面积计算。
本发明提供的反应器本身的材质为本领域常规的材质,包括但不限于由钢材、玻璃、陶瓷、合金、碳化硅或搪瓷钢等制成。
本发明还提供一种采用搅拌研磨反应器由具有通式I的胺制备如通式II所示的脂肪族、脂环族或芳香族异氰酸酯的方法, R(NH2)nI R(NCO)nII 其中,R为脂肪族、脂环族或芳香族烃基,n=1或n≥2,所述方法包括以下步骤 (a)纯光气液体或光气溶液通过第一反应物进料口进入反应器,然后经过第一反应物分布盘进入反应通道内; (b)具有通式I的胺的有机溶液通过第二反应物总进料口进入第二反应物分布盘,然后通过第二反应物分进料口进入最后一级轴向搅拌桨的下方区域; (c)在轴向搅拌桨和径向搅拌桨的作用下,光气流股向反应通道的下方流动,胺流股喷射进入光气流股,两股物料迅速混合、反应,在搅拌轴的旋转作用下,反应生成的固体颗粒经动研磨片和静研磨片研磨细化,从反应通道出来的反应液进入后续反应釜内继续进行并完成反应。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,所述光气溶液为将纯光气或光气溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为50-100wt%的光气溶液;所述胺的有机溶液为将通式I所示的胺溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为10-60wt%、优选为20-50wt%的胺溶液。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,所述搅拌轴的转速为80-10000r/min,优选为100-5000r/min。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,所述胺溶液在轴向搅拌桨的下方区域进料,该区域为高湍流区,因而在该区域胺流股的湍流程度最强,对混合最有利,来自轴向搅拌桨上方的反应通道的光气流股通过轴向搅拌桨对这部分胺流股进行轴向剪切,再通过径向搅拌桨使混合物进一步强烈分散,使两股物料的混合时间非常短,可实现快速混合、快速反应。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,在搅拌轴的高速旋转下,反应生成的固体产物经动、静研磨片研磨细化,可避免原料液被固体包裹,减少副反应的产生,实现产物的高收率。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,所述通式I中,当n=1时,该通式表示的胺为单官能团的C2-C20脂肪族伯胺或C6-C20芳香族伯胺;当n≥2时,该通式表示的胺包括但不限于甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯基甲烷、多亚甲基多苯基多胺、异佛尔酮二胺、己二胺、环己二胺、萘二胺、对苯二胺、苯二亚甲基二胺、环己烷二亚甲基二胺、三甲基-1,6-六亚甲基二胺、四甲基间苯二亚甲基二胺、二甲基联苯二胺或甲基环己基二胺,优选为甲苯二胺。
本发明采用搅拌研磨反应器制备异氰酸酯的方法中,溶解光气和胺的惰性有机溶剂可以相同或不同,分别选自苯、甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、一氯联苯、对苯二甲酸二烷基酯或邻苯二甲酸二乙酯中的一种或多种。
与现有技术相比,采用本发明提供的搅拌研磨反应器及其使用方法制备异氰酸酯具有以下有益效果 (1)采用本发明所提供的反应器,胺流股在强湍流区进料,初始混合程度得到了很大的提高, (2)采用本发明所提供的反应器,通过轴向和径向的组合混合方式,实现了多股物料的快速混合、快速反应,避免了副反应的发生,提高了目标产物的收率。
(3)采用本发明所提供的反应器,混合后的物流在轴向搅拌桨的作用下,返混程度最小,接近于理想的“平推流”形式,增强了混合效果,提高了反应速率。
(4)采用本发明所提供的反应器,通过多层孔道式动静研磨片的快速研磨,使固体产物进一步被粉碎细化,减少了固体颗粒包裹原料液的可能性,最大程度地降低了副反应,降低了溶剂的用量和反应物进料中光气的过量比,提高了装置的产能,改善产品质量并降低能耗。
(5)本发明所述的反应器在理论上可以无限放大,并且放大效应较小,可实现大规模生产能力下两股物流(气体-气体或液体-液体)之间的快速瞬间混合,克服了传统静态混合反应器放大效应明显的缺陷。



图1是搅拌研磨反应器的结构示意图; 图2是搅拌研磨反应器的动研磨盘的结构示意图; 图3是搅拌研磨反应器的静研磨盘的结构示意图; 图4是搅拌研磨反应器的轴向搅拌桨的结构示意图; 图5是搅拌研磨反应器的第二反应物分进料口的结构示意图; 图6是美国专利US 3,226,410所示的反应器结构示意图。

具体实施例方式 以下通过一个具体实施方式
结合附图进一步说明本发明,但本发明并不局限于此实施方式。只要不偏离本发明的宗旨和范围,本发明可以有其他的变更形式。
图1是本发明所提供的一种优选的搅拌研磨反应器。所述搅拌研磨反应器包括反应器壳体1、光气进料口1a、光气分布盘2、胺溶液总进料口1b、环状的胺溶液分布盘3、搅拌轴4、轴向搅拌桨5、径向搅拌桨6、动研磨片8、静研磨片9和胺溶液分进料口10;其中,反应器壳体1与搅拌轴4同轴设置,在反应器壳体内部位于光气分布盘2下方形成反应通道7;轴向搅拌桨5和径向搅拌桨6自上而下地设置在搅拌轴上;动研磨片8固定在搅拌轴上且位于反应通道内,静研磨片9固定在反应器壳体1的内壁上且位于反应通道7内,动研磨片8和静研磨片9相互间隔地设置在径向搅拌桨6的下方;胺溶液分进料口3设置在轴向搅拌桨5和径向搅拌桨6之间。
图2、图3分别是动研磨片8和静研磨片9的结构示意图,所述动、静研磨片上均设有一个中心孔和多个呈圆周形均匀分布的圆形通道孔。图4是轴向搅拌桨5的结构示意图。图5是胺溶液分进料口10的结构示意图,其中每个胺溶液分进料口10离搅拌轴的最近端与反应器壳体的内壁之间的距离为l。
本发明所提供的搅拌研磨反应器中,光气溶液和胺溶液分别经1a和1b进入该反应器,光气溶液经过具有空腔结构的光气分布盘2进入反应通道7,在轴向搅拌桨5的作用下,向反应通道7的下方流动。胺溶液经过空腔结构的环状胺溶液分布盘3由胺溶液分进料口10喷射进入光气溶液流股中,两股物料快速混合、快速反应,混合时间为毫秒级。混合好的物料反应生成的固体物质在重力作用下继续向下运动,进入到动、静研磨片,经过高速的旋转,固体颗粒的直径变小,减少了原料液被包裹的可能性,从反应通道出来的反应液进入后续反应釜内继续进行并完成反应。
以下实施例将进一步说明本发明所提供的搅拌研磨反应器及利用该反应器制备异氰酸酯的方法,但本发明并不因此而受到任何限制。
实施例1 在生产甲苯二异氰酸酯(TDI)的过程中,反应原料甲苯二胺与光气的初始混合对最终产品的收率有着重要的影响,一般要求两股物料在初始混合阶段的时间尺度在毫秒级,以抑制副反应的发生,提高目标产物的收率。
采用如图1所示的反应器生产甲苯二异氰酸酯(TDI),其中反应通道采用圆形,直径100mm,搅拌轴转速为400r/min,采用如图4所示的轴向搅拌桨,轴向搅拌桨为1级,具有3个桨叶,桨叶外缘直径90mm;胺溶液分进料口为4个,圆孔设计,孔直径为2mm,与搅拌轴垂直,该进料口距离反应通道内壁的距离l=15mm;径向搅拌桨为2级,每一级有3个桨叶,桨叶外缘直径60mm;采用如图2和图3所示的动、静研磨片,动研磨片最外缘至反应通道内壁的径向距离为2mm,静研磨片最内缘至搅拌轴最外缘的径向距离为2mm,动、静研磨片上的通道孔都为圆形,两者的通道孔的直径都为10mm,且相对于反应通道的开孔率为30%,动、静研磨片分别为3级(即从上往下依次交替设置3个动研磨片和3个静研磨片),动研磨片更靠近径向搅拌桨(即动研磨片在静研磨片的上方),动、静研磨片之间的间隙为5mm。将流量为200Kg/h的甲苯二胺(TDA)和流量为900Kg/h的邻二氯苯(ODCB)组成的混合溶液(即胺溶液),从胺溶液进料口1b中连续注入;将流量为1200Kg/h的光气-邻二氯苯溶液(光气质量百分比为50%)从光气进料口1a中连续注入;从反应通道出来的反应液进入到100℃、125℃且每个体积均为0.8m3的两个搅拌釜中进行光气化反应,直至溶液澄清,反应产物经填料塔除光气、除溶剂蒸馏后,甲苯二异氰酸酯(TDI)的收率为98.4%。
实施例2 采用图1所示的本发明所述的反应器生产甲苯二异氰酸酯(TDI),其中反应通道采用圆形,直径100mm,搅拌轴转速为300r/mi n,采用如图4所示的轴向搅拌桨,轴向搅拌桨为1级,具有3个桨叶,桨叶外缘直径90mm;胺溶液分进料口为4个,正方形孔设计,边长为2mm,与搅拌轴垂直,每个分进料口距离反应通道内壁的距离l=15mm;径向搅拌桨为2级,每一级具有3个桨叶,桨叶外缘直径60mm;采用如图2和图3所示的动、静研磨片,动研磨片最外缘至反应通道内壁的径向距离为2mm,静研磨片最内缘至搅拌轴最外缘的径向距离为2mm,动、静研磨片分别有3级(即从上往下交替设置3个动研磨片和3个静研磨片),动研磨片更靠近径向搅拌桨(即动研磨片在静研磨片的上方),动、静研磨片通道孔都为圆形,两者的通道孔的直径都为10mm,且相对于反应通道的开孔率为40%,动、静研磨片的间隙为5mm。将流量为200Kg/h的甲苯二胺(TDA)和流量为900Kg/h的邻二氯苯(ODCB)组成的混合溶液(即胺溶液),从进料口1b中连续注入;将流量为1200Kg/h的光气-邻二氯苯溶液(光气质量百分比为50%)从进料口1a中连续注入;从反应通道出来的反应液进入到100℃、125℃且每个体积均为0.8m3的两个搅拌釜中进行光气化反应,直至溶液澄清,反应产物经填料塔除光气、除溶剂蒸馏后,甲苯二异氰酸酯(TDI)的收率为98.1%。
实施例3 采用图1所示的本发明所述的反应器生产甲苯二异氰酸酯(TDI),其中反应通道采用圆形,直径120mm,搅拌轴转速为400r/min,采用如图4所示的轴向搅拌桨,轴向搅拌桨为1级,具有3个桨叶,桨叶外缘直径90mm;胺溶液分进料口为4个,圆孔设计,直径为2mm,胺溶液分进料口向下倾斜使它的中心轴与搅拌轴成70°夹角,每个分进料口距离反应器壳体内壁的距离l=10mm;径向搅拌桨为1级,具有3个桨叶,桨叶外缘直径65mm;采用如图2和图3所示的动、静研磨片,动研磨片最外缘至反应通道内壁的径向距离为2mm,静研磨片最内缘至搅拌轴的最外缘的径向距离为2mm,动、静研磨片分别有3级(即从上往下交替设置3个动研磨片和3个静研磨片),动研磨片更靠近径向搅拌桨,动、静研磨片通道孔都为圆形,两者的通道孔的直径都为10mm,相对于反应通道的开孔率为40%,动、静研磨片的间隙为5mm。将流量为200Kg/h的甲苯二胺(TDA)和流量为900Kg/h的邻二氯苯(ODCB)组成的混合溶液,从进料口1b中连续注入;将流量为1200Kg/h的光气-邻二氯苯溶液(光气质量百分比为50%)从进料口1a中连续注入;从反应通道出来的反应液进入到100℃、125℃且每个体积均为0.8m3的两个搅拌釜中进行光气化反应,直至溶液澄清,反应产物经填料塔除光气、除溶剂蒸馏后,甲苯二异氰酸酯(TDI)的收率为97.6%。
实施例4 采用图1所示的本发明所述的反应器生产甲苯二异氰酸酯(TDI),其中反应通道采用圆形,直径90mm,搅拌轴转速为500r/min,采用如图4所示的轴向搅拌桨,轴向搅拌桨为1级,具有3个桨叶,桨叶外缘直径86mm;胺溶液分进料口为4个,圆孔设计,直径为2mm,它的中心轴与搅拌轴成900夹角,每个分进料口距离反应器壳体内壁的距离l=10mm(如图5);径向搅拌桨为2级,每一级搅拌桨具有3个桨叶,桨叶外缘直径60mm;动、静研磨片分别有3级(即从上往下交替设置3个动研磨片和3个静研磨片),动研磨片更靠近径向搅拌桨,动研磨片最外缘至反应通道内壁的径向距离为2mm,静研磨片最内缘至搅拌轴的最外缘的径向距离为2mm,动、静研磨片通道孔为矩形,宽为3mm,长为10mm,相对于反应通道的开孔率为50%,动、静研磨片的间隙为5mm。将流量为200Kg/h的甲苯二胺(TDA)和流量为800Kg/h的邻二氯苯(ODCB)组成的混合溶液,从进料口1b中连续注入;将流量为1100Kg/h的光气-邻二氯苯溶液(光气质量百分比为50%)从进料口1a中连续注入;从反应通道出来的反应液进入到100℃、125℃且每个体积均为0.8m3的两个搅拌釜中进行光气化反应,直至溶液澄清,反应产物经填料塔除光气、除溶剂蒸馏后,甲苯二异氰酸酯(TDI)的收率为98.8%。
实施例5 采用图1所示的本发明所述的反应器生产甲苯二异氰酸酯(TDI),其中反应通道采用圆形,直径150mm,搅拌轴转速为400r/mi n,轴向搅拌桨为1级,具有3个桨叶(如图4),桨叶外缘直径140mm;胺溶液分进料口为4个,圆形设计,直径为3mm,它的中心轴与搅拌轴成900夹角,每个分进料口距离反应器壳体内壁的距离l=15mm;径向搅拌桨为2级,每一级径向搅拌桨具有3个桨叶,桨叶外缘直径90mm;动、静研磨片分别有3级(即从上往下交替设置3个动研磨片和3个静研磨片),动研磨片更靠近径向搅拌桨,动研磨片的最外缘至反应通道内壁的径向距离为2mm,静研磨片的最内缘至搅拌轴的最外缘的径向距离为2mm,动、静研磨片通道孔都为矩形,宽为3mm,长为10mm,相对于反应通道的开孔率为45%,动、静研磨片的间隙为4mm。将流量为400Kg/h的甲苯二胺(TDA)和流量为1500Kg/h的邻二氯苯(ODCB)组成的混合溶液,从进料口1b中连续注入;将流量为2000Kg/h的光气-邻二氯苯溶液(光气质量百分比为55%)从进料口1a中连续注入;从反应通道出来的反应液进入到115℃、130℃且每个体积均为0.8m3的两个搅拌釜中进行光气化反应,直至溶液澄清,反应产物经填料塔除光气、除溶剂蒸馏后,甲苯二异氰酸酯(TDI)的收率为98.1%。
对二异氰酸酯粗产物进行分析,发现当利用本发明提供的反应器制备异氰酸酯时,所得到的副产物比目前通常采用的孔射流反应器制备异氰酸酯时产生的副产物更少,通常能够降低1-4wt%,优选降低2wt%(基于二异氰酸酯粗产物的总量),获得了更大的经济效益。
权利要求
1.一种搅拌研磨反应器,其包括反应器壳体、第一反应物进料口、第一反应物分布盘、第二反应物总进料口、环状的第二反应物分布盘、搅拌轴、轴向搅拌桨、径向搅拌桨、动研磨片、静研磨片和至少一个第二反应物分进料口;其中,反应器壳体与搅拌轴同轴设置,并在反应器壳体内部位于第一反应物分布盘下方形成反应通道;第一反应物进料口的设置使得第一反应物经设置在该反应器上部的第一反应物分布盘进入反应通道;轴向搅拌桨和径向搅拌桨自上而下设置在搅拌轴上;动研磨片和静研磨片相互间隔地设置在径向搅拌桨的下方,动研磨片固定在搅拌轴上,静研磨片固定在反应器壳体的内壁上,动研磨片和静研磨片上还设有通道孔;第二反应物分进料口设置在轴向搅拌桨和径向搅拌桨之间,以使得第二反应物经第二反应物总进料口、环状的第二反应物分布盘和第二反应物分进料口输送至反应通道。
2.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述第一反应物分布盘和第二反应物分布盘为空腔结构。
3.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,在搅拌轴上平行设置1-6个、优选1-3个轴向搅拌桨;每个轴向搅拌桨具有2-20片、优选3-15片、更优选3-8片桨叶;所述轴向搅拌桨桨叶的外缘直径为40-1000mm,优选为60-800mm。
4.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述第二反应物分进料口的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形,优选为圆形、矩形、三角形;所述第二反应物分进料口的数量为3-200个,优选为3-100个,更优选为5-80个。
5.根据权利要求4所述的反应器,其特征在于,所述第二反应物分进料口水平地或向下倾斜地设置在反应器壳体上且位于反应通道内,每个分进料口的中心轴与搅拌轴的夹角为20-90°,优选为60-90°;所述第二反应物分进料口均匀或非均匀地分布在反应器壳体上,优选为均匀分布。
6.根据权利要求5所述的反应器,其特征在于,所述第二反应物分进料口的上边缘与最后一级轴向搅拌桨桨叶的最下缘的轴向距离为1-50mm,优选为2-30mm;所述第二反应物分进料口离搅拌轴的最近端至轴向搅拌桨桨叶最外缘的径向距离为1-100mm,优选为2-40mm。
7.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,在搅拌轴上平行设置1-6个、优选1-3个径向搅拌桨;每个径向搅拌桨具有2-20片、优选3-15片、更优选3-8片桨叶;所述径向搅拌桨桨叶的外缘直径为40-1000mm,优选为60-700mm。
8.根据权利要求7所述的反应器,其特征在于,第一级径向搅拌桨桨叶的最上缘至第二反应物分进料口的下边缘的轴向距离为1-200mm,优选为2-100mm。
9.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述动研磨片上还设有中心孔,使搅拌轴穿过该中心孔,并且从上往下在搅拌轴上设置2-6级、优选2-4级动研磨片;所述动研磨片为直径为40-1200mm、优选60-800mm的圆盘;所述动研磨片最外缘至反应通道内壁的径向距离为1-20mm,优选1-10mm。
10.根据权利要求9所述的反应器,其特征在于,第一级动研磨片的上表面至最后一级径向搅拌桨桨叶的最下缘的轴向距离为1-200mm,优选为10-100mm。
11.根据权利要求10所述的反应器,其特征在于,每个动研磨片上设有10-1000个、优选15-100个通道孔;所述通道孔的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形,优选为圆形、矩形、三角形。
12.根据权利要求11所述的反应器,其特征在于,所述通道孔均匀或非均匀地分布在动研磨片上,优选均匀分布;所述通道孔相对于整个动研磨片的开孔率为10-80%,优选为30-60%;所述通道孔的总流通面积为8-600mm2,优选为10-400mm2。
13.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述静研磨片上还设有中心孔,使搅拌轴穿过该中心孔,并且从上往下在反应器壳体的内壁上设置1-6级、优选2-4级静研磨片;所述静研磨片为直径为40-1200mm、优选60-800mm的圆盘;所述静研磨片最内缘至搅拌轴最外缘的径向距离为1-10mm,优选1-5mm。
14.根据权利要求13所述的反应器,其特征在于,第一级动研磨片设置在第一级静研磨片的上方,并且每级静研磨片与相邻级的动研磨片之间的轴向距离为1-50mm,优选为1-30mm,更优选为1-25mm,最优选为2-15mm。
15.根据权利要求14所述的反应器,其特征在于,每个静研磨片上设有10-1000个、优选15-100个通道孔;所述通道孔的截面形状为圆形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形或椭圆形,优选为圆形、矩形、三角形。
16.根据权利要求15所述的反应器,其特征在于,所述通道孔均匀分布或非均匀地分布在静研磨片上,优选均匀分布;所述通道孔相对于整个静研磨片的开孔率为10-80%,优选为30-60%;所述通道孔的总流通面积为8-600mm2,更优选为10-400mm2。
17.根据权利要求1所述的反应器,其特征在于,所述反应通道的截面形状为圆形、椭圆形、多边形或矩形,优选为圆形、多边形。
18.根据权利要求17所述的反应器,其特征在于,所述圆形反应通道的直径为30-1400mm,优选为60-800mm。
19.一种采用权利要求1-18中任一项所述的反应器由具有通式I的胺制备如通式II所示的脂肪族、脂环族或芳香族异氰酸酯的方法,
R(NH2)nI
R(NCO)nII
其中,R为脂肪族、脂环族或芳香族烃基,n=1或n≥2,所述方法包括以下步骤
(a)纯光气液体或光气溶液通过第一反应物进料口进入反应器,然后经过第一反应物分布盘进入反应通道内;
(b)具有通式I的胺的有机溶液通过第二反应物总进料口进入第二反应物分布盘,然后通过第二反应物分进料口进入反应通道内;
(c)在轴向搅拌桨和径向搅拌桨的作用下,光气流股和胺流股迅速混合、反应,反应生成的固体颗粒经动研磨片和静研磨片研磨细化,从反应通道出来的反应液进入后续反应釜内继续进行并完成反应。
20.根据权利要求19所述的方法,其特征在于,所述光气溶液为将纯光气或光气溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为50-100wt%的光气溶液。
21.根据权利要求19所述的方法,其特征在于,所述胺的有机溶液为将通式I所示的胺溶解在惰性有机溶剂中所形成的浓度为10-60wt%、优选为20-50wt%的胺溶液。
22.根据权利要求19所述的方法,其特征在于,所述通式I和II中的R为C2-C50烃基、脂环族C2-C50烃基或芳香族C6-C50烃基,优选为C4-C30烃基、脂环族C4-C30烃基或芳香族C6-C30烃基,更优选为C5-C18烃基、脂环族C5-C18烃基或芳香族C6-C20烃基;所述通式I和II中的n=2-4。
23.根据权利要求19所述的方法,其特征在于,通式I所示的胺选自甲苯二胺、4,4′-二氨基二苯基甲烷、多亚甲基多苯基多胺、异佛尔酮二胺、己二胺、环己二胺、萘二胺、对苯二胺、苯二亚甲基二胺、环己烷二亚甲基二胺、三甲基-1,6-六亚甲基二胺、四甲基间苯二亚甲基二胺、二甲基联苯二胺或甲基环己基二胺,优选为甲苯二胺。
24.根据权利要求20-21中任一项所述的方法,其特征在于,溶解光气和胺的惰性有机溶剂可以相同或不同,其分别选自苯、甲苯、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、一氯联苯、对苯二甲酸二烷基酯或邻苯二甲酸二乙酯中的一种或多种。
全文摘要
本发明涉及一种集搅拌、研磨于一体的反应器以及利用该反应器制备异氰酸酯的方法,该反应器包括反应器壳体、第一反应物进料口、第一反应物分布盘、第二反应物总进料口、环状的第二反应物分布盘、搅拌轴、轴向搅拌桨、径向搅拌桨、动研磨片、静研磨片和至少一个第二反应物分进料口,所述动、静研磨片上设有多个通道孔。本发明通过轴向、径向的强烈搅拌以及最强混合区域的进料方法实现原料之间的快速混合、快速反应,通过多层动、静研磨盘结合的孔道式快速研磨使固体反应产物进一步粉化,可以增强反应效果,提高异氰酸酯的收率和质量,并降低溶剂的用量和光气的过量比,提高装置产能、改善产品质量并降低能耗。
文档编号B01F7/18GK101811017SQ201010154068
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者华卫琦, 孙德镇, 尚永华, 孙中平, 侯庆乐, 薛永和, 李强, 王伦鹏, 于学丽 申请人:烟台万华聚氨酯股份有限公司, 宁波万华聚氨酯有限公司
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